CMP過程中銅層厚度在線測量系統及其控制方法與流程
2023-08-05 11:05:36 5
本發明涉及化學機械平坦化技術領域，特別涉及一種CMP過程中銅層厚度在線測量系統及其控制方法。
背景技術：
化學機械平坦化(Chemical Mechanical Planarization，CMP)技術是當今最有效的全局平坦化方法。它利用化學腐蝕和機械磨削的協同作用，可以有效兼顧晶圓局部和全局平坦度，並已在超大規模集成電路製造中得到了廣泛應用。在CMP過程中，需要精確控制材料的去除量。若不能實現有效的監控，將無法避免晶圓「過拋」或者「欠拋」等情況的出現。但是，CMP苛刻的工藝環境使得在線測量的實現非常困難。
目前，對於銅CMP工藝，基於電渦流檢測方法的在線測量模塊已出現在銅CMP系統中，可用於監測一定厚度範圍內的銅層去除情況，判斷工藝是否已達到期望終點，以及時終止工藝過程。然而，在CMP工藝過程中，電渦流傳感器的探頭隨拋光碟一起轉動，並周期性運動至晶圓下方，目前的測量方法中，是待拋光過程穩定後，在線測量系統開始讀取傳感器輸出信號並進行相關計算。但是由於CMP特殊的工藝過程，在線測量時，CMP工藝的諸多因素均會對傳感器輸出信號產生一定影響，例如，拋光頭繞自身軸心與拋光碟同向旋轉同時，沿徑嚮往復擺動，所以傳感器所採集到的有效測量信號僅為探頭運動至晶圓下方時的部分，且該部分的採樣點數並不固定。此外，由於修整頭的特殊材質，拋光墊的在線修整過程會給整個數據採集信號引入幹擾，進而增加了在線數據處理與分析的難度。
技術實現要素：
本發明旨在至少解決上述技術問題之一。
為此，本發明的一個目的在於提出一種CMP過程中銅層厚度在線測量系統，該系統能夠簡潔、快速、高效地計算出CMP過程中真實的銅層厚度變化，且計算結果精確度高。
本發明的另一個目的在於提出一種CMP過程中銅層厚度在線測量系統的控制方法。
為了實現上述目的，本發明第一方面的實施例提出了一種CMP過程中銅層厚度在線測量系統，包括：電渦流傳感器；雙極霍爾開關，用於判斷所述電渦流傳感器探頭是否進入測量區域；數據採集模塊，所述數據採集模塊包括第一輸入端、第二輸入端和輸出端，所述第一輸入端與所述電渦流傳感器的輸出端相連，以獲取所述電渦流傳感器的輸出信號，所述第二輸入端與所述雙極霍爾開關的輸出端相連，以獲取所述雙極霍爾開關的輸出信號；控制模塊，所述控制模塊與所述數據採集模塊的輸出端相連，用於接收所述電渦流傳感器的輸出信號和所述雙極霍爾開關的輸出信號，並根據所述電渦流傳感器的輸出信號計算當前測量均值和當前零點均值，並根據所述當前測量均值和當前零點均值計算所述銅層厚度。
根據本發明實施例的CMP過程中銅層厚度在線測量系統，可有效消除測量過程中的幹擾信號和部分異常信號的影響，能夠從已採集到大量數據中高效地提取到工藝人員需要的真實的銅層厚度實時變化信息。該系統結構簡單，易於實現，且計算精度高，可以為在線測量過程中的實時銅層厚度計算提供良好的解決方法，進而提高在線測量的計算效率，更好地滿足在線測量的工藝需求。
另外，根據本發明上述實施例的CMP過程中銅層厚度在線測量系統還可以具有如下附加的技術特徵：
在一些示例中，所述控制模塊用於：根據所述電渦流傳感器的輸出信號得到採樣信號，並判斷所述採樣信號是否處於預設範圍內，如果所述採樣信號處於所述預設範圍內，則判定所述採樣信號為有效信號，否則，丟棄所述採樣信號；判斷所述雙極霍爾開關的輸出信號的變化情況，並根據雙極霍爾開關的觸發點的固定位置，當在所述雙極霍爾開關的輸出信號由高電平變為低電平時，判定所述探頭進入測量區域，並從當前時刻的後t時刻開始，連續保存w1個採樣信號以作為測量信號段，並將所述測量信號段內全部採樣信號的平均值作為所述當前測量均值，其中，w1為測量信號採集寬度，t為延遲採樣時間；當所述雙極霍爾開關的輸出信號由低電平變為高電平時，判定所述探頭離開所述測量區域，並以當前時刻的後t時刻開始，連續保存w2個採樣信號作為零點信號段，並計算所述零點信號段內全部採樣信號的平均值作為所述當前零點均值，其中，w2為零點信號的採集寬度；計算所述當前測量均值和當前零點均值的差值，並從預存的標定表中查找所述差值所在的區間，然後根據所述區間對應的標定關係計算所述銅層厚度。
在一些示例中，還包括：調零模塊，所述調零模塊用於在每個測量周期開始前，向所述電渦流傳感器發送調零指令，以修正所述電渦流傳感器的零點輸出偏移。
在一些示例中，所述雙極霍爾開關的入觸發點固定在以測量軌跡長度最短時的測量信號起點向測量區域內的預設距離處。
在一些示例中，其中，在測量過程中，當所述電渦流傳感器的探頭在晶圓表面銅層下方的運動區域時，定義此時所述電渦流傳感器的輸出信號為測量信號；當所述電渦流傳感器的探頭不在晶圓表面銅層下方的運動區域時，定義此時所述電流傳感器的輸出信號為零點信號。
為了實現上述目的，本發明第二方面的實施例提出了一種如本發明上述第一方面實施例所述的CMP過程中銅層厚度在線測量系統的控制方法，包括以下步驟：所述數據採集模塊獲取所述電渦流傳感器的輸出信號及所述雙極霍爾開關的輸出信號；所述數據採集模塊將所述電渦流傳感器的輸出信號及所述雙極霍爾開關的輸出信號傳輸至所述控制模塊；所述控制模塊根據所述電渦流傳感器的輸出信號及所述雙極霍爾開關的輸出信號計算當前測量均值和當前零點均值；所述控制模塊根據所述當前測量均值和當前零點均值的差值計算所述銅層厚度。
根據本發明實施例的CMP過程中銅層厚度在線測量系統的控制方法，可有效消除測量過程中的幹擾信號和部分異常信號的影響，能夠從已採集到大量數據中高效地提取到工藝人員需要的真實的銅層厚度實時變化信息。該方法相對簡潔，易於實現，且計算精度高，可以為在線測量過程中的實時銅層厚度計算提供良好的解決辦法，進而提高在線測量的計算效率，更好地滿足在線測量的工藝需求。
另外，根據本發明上述實施例的CMP過程中銅層厚度在線測量系統的控制方法還可以具有如下附加的技術特徵：
在一些示例中，所述根據所述電渦流傳感器的輸出信號及所述雙極霍爾開關的輸出信號計算當前測量均值和當前零點均值，進一步包括：根據所述電渦流傳感器的輸出信號得到採樣信號，並判斷所述採樣信號是否處於預設範圍內，如果所述採樣信號處於所述預設範圍內，則判定所述採樣信號為有效信號，否則，丟棄所述採樣信號；判斷所述雙極霍爾開關的輸出信號的變化情況，並根據所述雙極霍爾開關的觸發點的固定位置，當在所述雙極霍爾開關的輸出信號由高電平變為低電平時，判定所述探頭進入測量區域，並從當前時刻的後t時刻開始，連續保存w1個採樣信號以作為測量信號段，並將所述測量信號段內全部採樣信號的平均值作為所述當前測量均值，其中，w1為測量信號採集寬度，t為延遲採樣時間；當所述雙極霍爾開關的輸出信號由低電平變為高電平時，判定所述探頭離開所述測量區域，並以當前時刻的後t時刻開始，連續保存w2個採樣信號作為零點信號段，並計算所述零點信號段內全部採樣信號的平均值作為所述當前零點均值，其中，w2為零點信號的採集寬度。
在一些示例中，所述根據所述當前測量均值和當前零點均值計算所述銅層厚度，進一步包括：計算所述當前測量均值和當前零點均值的差值，並從預存的標定表中查找所述差值所在的區間，然後根據所述區間對應的標定關係計算所述銅層厚度。
在一些示例中，還包括：在每個測量周期開始前，向所述電渦流傳感器發送調零指令，以修正所述電渦流傳感器的零點輸出偏移。
本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
圖1是根據本發明實施例的CMP過程中銅層厚度在線測量系統的結構示意圖；
圖2是根據本發明一個實施例的CMP過程中銅層厚度在線測量系統的工作流程示意圖；
圖3是根據本發明一個實施例的雙極霍爾開關輸出信號與電渦流傳感器的探頭的測量區域的關係示意圖；以及
圖4根據本發明一個施例的CMP過程中銅層厚度在線測量系統的控制方法的流程圖。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
以下結合附圖描述根據本發明實施例的CMP過程中銅層厚度在線測量系統及其控制方法。
圖1是根據本發明一個實施例的CMP過程中銅層厚度在線測量系統的結構示意圖。圖2是根據本發明另一個實施例的CMP過程中銅層厚度在線測量系統的工作流程示意圖。如圖1所示，並結合圖2，該系統包括：電渦流傳感器110、雙極霍爾開關120、數據採集模塊130和控制模塊140。
其中，電渦流傳感器110具有探頭。探頭例如安裝在拋光碟面中(拋光墊下)，通過導電滑環的引線與固定在機臺內的信號處理電路相連。
在本發明的一個實施例中，例如，在測量過程中，當電渦流傳感器110的探頭在晶圓表面銅層下方的運動區域時，定義該區域作為測量區域，此時電渦流傳感器110的輸出信號為測量信號；當電渦流傳感器110的探頭不在晶圓表面銅層下方的運動區域時，即探頭離開了測量區域，此時定義電流傳感器110的輸出信號為零點信號。
雙極霍爾開關120與電渦流傳感器110相連，用於判斷探頭是否進入測量區域，從而可準確截取探頭測量到的測量信號。具體地說，在工藝過程中，探頭隨拋光碟一起轉動，並周期性運動至晶圓下方，待拋光過程穩定後，開始讀取傳感器輸出並進行相關計算。由於CMP特殊的工藝過程，在線測量時，CMP工藝的諸多因素均會對測量信號產生一定影響。例如，拋光頭繞自身軸心與拋光碟同向旋轉同時，沿徑嚮往復擺動，所以傳感器所採集到的測量信號僅為探頭運動至晶圓下方時的部分，且該部分採樣點數並不固定。此外，由於修整頭的特殊材質，拋光墊的在線修整過程會給整個數據採集信號引入幹擾，進而增加了在線數據處理與分析的難度。因此，為了準確截取探頭測量到的測量信號，本發明實施例的系統100採用雙極霍爾開關120限制探頭的測量區間。
在本發明的一個實施例中，雙極霍爾開關120的入觸發點固定在以測量軌跡長度最短時的測量信號起點向測量區域內的預設距離處。具體地說，由於晶圓在工藝過程中隨拋光頭沿拋光碟徑嚮往復擺動，所以電渦流傳感器110的探頭在晶圓表面銅層下方的測量軌跡長度不唯一，進而導致測量信號的採樣點數並不固定。因此，本發明的實施例在安裝雙極霍爾開關120時以測量軌跡長度最短時的測量信號起點向測量區域內5mm(即預設距離，可根據實際情況酌情調整)固定雙極霍爾開關120的磁極A位置，進而避免了電渦流傳感器110的輸出信號受晶圓邊緣銅層的影響。此外，適當增大觸發霍爾信號的磁極間距，保證磁極B觸發雙極霍爾開關120時探頭已完全離開測量區域。
更為具體地，如圖3所示，當電渦流傳感器110的探頭運動至測量區域(A點)時，雙極霍爾開關120的輸出電平由高至低；當電渦流傳感器110的探頭離開測量區域(B點)時，雙極霍爾開關120的輸出電平由低至高。
數據採集模塊130包括第一輸入端、第二輸入端和輸出端，第一輸入端(例如AI埠)與電渦流傳感器110的輸出端相連，以獲取電渦流傳感器110的輸出信號，第二輸入端(例如DI埠)與雙極霍爾開關120的輸出端相連，以獲取雙極霍爾開關120的輸出信號，進而獲知探頭是否進入或者離開測量區域。
控制模塊140與數據採集模塊130的輸出端相連，用於快速採集電渦流傳感器110的輸出信號和雙極霍爾開關120的輸出信號，並根據電渦流傳感器110的輸出信號計算當前測量均值和當前零點均值，並根據當前測量均值和當前零點均值計算銅層厚度。
在本發明的一個實施例中，控制模塊140用於：根據電渦流傳感器110的輸出信號得到採樣信號，並判斷採樣信號是否處於預設範圍內，如果採樣信號處於預設範圍內，則判定採樣信號為有效信號，否則，丟棄採樣信號；進一步地，判斷雙極霍爾開關120的輸出信號的變化情況，並在雙極霍爾開關120的輸出信號由高電平變為低電平時，判定探頭進入測量區域，並從當前時刻的後t時刻開始，連續保存w1個採樣信號作為測量信號段，並將測量信號段內全部採樣信號的平均值作為當前測量均值，其中，w1為測量信號採集寬度，t為延遲採樣時間；進一步地，當雙極霍爾開關120的輸出信號由低電平變為高電平時，判定探頭離開測量區域，並以當前時刻的後t時刻開始，連續保存w2個採樣信號作為零點信號段，並計算零點信號段內全部採樣信號的平均值作為當前零點均值，其中，w2為零點信號的採集寬度；計算當前測量均值和當前零點均值的差值，並從預存的標定表中查找差值所在的區間，然後根據區間對應的標定關係計算銅層厚度。
在上述過程中，數據採集模塊130例如通過USB埠與控制模塊140相連。控制模塊140例如採用異步緩衝的方式快速讀取數據採集模塊130所反饋的信號，採樣率例如為20KHz。另外，為了減小電渦流傳感器110的輸出信號自身的波動以降低測量誤差，控制器140在數據採集過程中將數據採集模塊130每一次返回的數據塊平均處理，並以計算得到的平均值作為當前採樣值。也即，對電渦流傳感器110的輸出信號進行分塊平均處理，以得到採樣信號，從而可以降低由於電渦流傳感器110的輸出信號自身的波動而引起的測量誤差。
具體地說，結合圖3所示，本發明實施例的CMP過程中銅層厚度在線測量系統100的主要計算流程概述如下：
1)採集信號預處理過程：在銅CMP工藝中，上層控制系統(即控制模塊140)根據工藝人員設定的採樣時刻控制採集過程的開始與結束。在高速的在線測量過程中，系統通過數據採集卡(即數據採集模塊130)實時讀取電渦流傳感器110的輸出信號。為了防止異常採樣點的出現，系統首先判斷當前採樣值(採樣信號)是否處於正常範圍(即預設範圍)。如果採樣值處於正常變化範圍，則認定該採樣值有效，並保存；否則，應丟棄當前採樣值。
2)信號提取過程：上層控制系統在讀取數據採集卡AI信號(即電渦流傳感器110的輸出信號)的同時，嚴格監視數據採集卡DI信號(即雙極霍爾開關120的輸出信號)的變化。在本步數據處理過程中，定義測量信號採集寬度w1和延遲採樣時間t兩個變量。當上層控制系統讀到的數據採集卡DI信號由1至0(對應雙極霍爾開關120的輸出信號由高至低)時，則認為傳感器探頭已進入測量區域。此時，以當前時刻的後t時刻開始，連續保存w1個採樣點，並以該測量信號段(w1個採樣點構成的測量信號段)內全部採樣信號的平均值作為當前測量均值。在具體示例中，測量信號採集寬度w1例如為15，延遲採樣時間t例如為5毫秒。
3)零點值計算過程：在獲取到當前測量均值後，當上層控制系統讀到的數據採集卡DI信號由0至1(對應雙極霍爾開關120的輸出信號由低至高)時，則認為傳感器探頭已離開測量區域。此時，定義零點信號採集寬度為w2，並以當前時刻的後t時刻開始，連續保存w2個採樣點，並以該w2個採樣點構成的零點信號段內全部採樣信號的平均值作為當前零點均值。在一些示例中，零點信號採集寬度w2例如為15。
4)厚度值計算過程：在當前測量周期內，將已獲得的當前測量均值和當前零點均值作差，並以該差值作為未標定值。根據上層控制系統已保存的標定表，查找該未標定值所在區間，然後利用本段對應的標定關係計算出相應厚度值，即銅層厚度，最後顯示並保存該計算值。
進一步地，在完成本周期在線測量後，以相同的處理方法進行下一周期的在線測量計算。直至系統收到結束測量指令後，上層控制系統(即控制模塊140)停止採樣，並關閉讀取功能，釋放相關系統資源，恢復各中間變量初始值。至此，本算法已完成本次工藝過程中全部測量數據的在線處理工作。
在本發明的一個實施例中，該系統100例如還包括調零模塊。調零模塊用於在每個測量周期開始前，向電渦流傳感器110發送調零指令，以修正電渦流傳感器110的零點輸出偏移，使零點輸出恢復至正常水平。尤其是對於連續工藝過程，在下次工藝過程開始前，調零模塊向電渦流傳感器110發送調零指令，以修正電渦流傳感器110的零點輸出偏移，使零點輸出恢復至正常水平，以保證下一個測量周期的測量精度。
綜上，根據本發明實施例的CMP過程中銅層厚度在線測量系統，可有效消除測量過程中的幹擾信號和部分異常信號的影響，能夠從已採集到大量數據中高效地提取到工藝人員需要的真實的銅層厚度實時變化信息。該系統結構簡單，易於實現，且計算精度高，可以為在線測量過程中的實時銅層厚度計算提供良好的解決辦法，進而提高在線測量的計算效率，更好地滿足在線測量的工藝需求。
本發明的進一步實施例還提出了一種CMP過程中銅層厚度在線測量系統的控制方法。該CMP過程中銅層厚度在線測量系統例如為本發明上述實施例所描述的CMP過程中銅層厚度在線測量系統，關於本方法中涉及的CMP過程中銅層厚度在線測量系統的具體詳細描述請參見本發明上述實施例對CMP過程中銅層厚度在線測量系統的描述部分。基於此，如圖4所示，根據本發明實施例的CMP過程中銅層厚度在線測量系統的控制方法，包括以下步驟：
步驟S1：數據採集模塊獲取電渦流傳感器的輸出信號及雙極霍爾開關的輸出信號。
步驟S2：數據採集模塊將電渦流傳感器的輸出信號及雙極霍爾開關的輸出信號傳輸至控制模塊。
步驟S3：控制模塊根據電渦流傳感器的輸出信號及雙極霍爾開關的輸出信號計算當前測量均值和當前零點均值。
在本發明的一個實施例中，在步驟S3中，根據電渦流傳感器的輸出信號及雙極霍爾開關的輸出信號計算當前測量均值和當前零點均值，進一步包括：根據電渦流傳感器的輸出信號得到採樣信號，並判斷採樣信號是否處於預設範圍內，如果採樣信號處於預設範圍內，則判定採樣信號為有效信號，否則，丟棄採樣信號；判斷雙極霍爾開關的輸出信號的變化情況，並在雙極霍爾開關的輸出信號由高電平變為低電平時，判定探頭進入測量區域，並從當前時刻的後t時刻開始，連續保存w1個採樣信號以作為測量信號段，並將測量信號段內全部採樣信號的平均值作為當前測量均值，其中，w1為測量信號採集寬度，t為延遲採樣時間；當雙極霍爾開關的輸出信號由低電平變為高電平時，判定探頭離開測量區域，並以當前時刻的後t時刻開始，連續保存w2個採樣信號作為零點信號段，並計算零點信號段內全部採樣信號的平均值作為當前零點均值，其中，w2為零點信號的採集寬度。
步驟S4：控制模塊根據當前測量均值和當前零點均值計算銅層厚度。
在本發明的一個實施例中，在步驟S4中，根據當前測量均值和當前零點均值計算銅層厚度，進一步包括：計算當前測量均值和當前零點均值的差值，並從預存的標定表中查找差值所在的區間，然後根據區間對應的標定關係計算銅層厚度。
進一步地，在本發明的一個實施例中，該方法還包括：在每個測量周期開始前，向電渦流傳感器發送調零指令，以修正電渦流傳感器的零點輸出偏移，使零點輸出恢復至正常水平，以保證下一個測量周期的測量精度。
需要說明的是，本發明實施例的CMP過程中銅層厚度在線測量系統的控制方法的具體實現方式與本發明實施例的CMP過程中銅層厚度在線測量系統的具體實現方式類似，具體請參見系統部分的描述，為了減少冗餘，此處不再贅述。
綜上，根據本發明實施例的CMP過程中銅層厚度在線測量系統的控制方法，可有效消除測量過程中的幹擾信號和部分異常信號的影響，能夠從已採集到大量數據中高效地提取到工藝人員需要的真實的銅層厚度實時變化信息。該方法相對簡潔，易於實現，且計算精度高，可以為在線測量過程中的實時銅層厚度計算提供良好的解決方法，進而提高在線測量的計算效率，更好地滿足在線測量的工藝需求。
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由權利要求及其等同限定。